活性炭酸处理对金属离子的竞争吸附

　　来自采矿活动、工业和城市废物以及垃圾填埋场渗滤液的重金属对地下水和地表资源造成严重污染。重金属对水的污染可能来自不同的来源。Cd2+,Cr6+,Mn2+,Ni2+被引入到水资源和环境中的主要来源是废家用电池和充电电池、电镀、制革工业、化肥、石化产品和炼油厂废水。本文研究了使用酸改性和未改性活性炭吸附从含有Ni2+、Mn2+、Cr6+和Cd2+的季铵盐水溶液中竞争去除金属离子的方法。活性炭用硝酸氧化，呈颗粒状和粉末状，并测试其对金属离子从水溶液中的竞争吸附。

　　吸附剂的性质

　　活性炭去除水中重金属的性能在很大程度上取决于三个因素：(1)表面性质，包括孔径分布、表面积和可用的表面官能团(氧络合基团)。(2)水溶液的pH值、有无竞争离子等条件。(3)重金属离子的性质，包括电荷密度(电荷半径比)、电负性和离子半径。对于用酸处理的粉末状活性炭观察到测试吸附剂的最高表面积。与未处理的活性炭相比，用硝酸进行表面氧化导致活性炭的表面积减少7%。粉末样品具有较高的表面积由于粒径较小。基于Horvath–Kawazoe模型，所有测量样品均具有孔径小于2nm的微孔结构，该模型用于确定微孔吸附剂(如活性炭和沸石)中的孔径分布。与活性炭(1.398nm)相比，酸处理还导致粉末活性炭(1.388nm)的孔宽略有减小，这归因于酸性位点与石墨基面的边缘结合。其他研究人员也报道了酸处理后表面积和孔宽减少的类似行为。

　　图1：三种活性炭的FTIR光谱。

　　重金属的竞争吸附

　　吸附仍然是研究最多和应用最多的方法，已证明可提供高去除效率且具有成本效益。吸附分离有几个优点，例如对痕量金属离子的高选择性、成本效益，因为它可以使用丰富的吸附剂，以及环境友好的质量。一般来说，活性炭表面吸附重金属离子的机理是通过表面静电吸引、表面络合和离子交换。对于未改性的碳表面，表明重金属离子通过与反应后碳基面的π电子相互作用而吸附。在较高的pH值下，酸性基团将被非质子化，金属离子将通过表面络合与其结合，这将导致每个吸附的金属离子释放少于一个质子。所有四种金属离子Ni2+、Cr6+、Mn2+和Cd2+的吸附等温线如图2所示。等温线不是均匀的曲线，很可能是因为除了现有离子之间的排斥和相互作用之外，可用吸附位点上离子之间的竞争。

　　图2：金属离子在不同吸附剂上的吸附等温线(a)活性炭，(b)酸处理颗粒活性炭，和(c)酸处理粉末活性炭。

　　在模拟条件下，每种吸附剂对重金属的选择性如图3中500mg吸附剂等温线所示。结果表明，与碱性颗粒活性炭相比，颗粒活性炭和粉末活性炭的酸处理改变了金属选择性的顺序。对于基本未处理的活性炭，离子选择性的顺序是Ni2+>Cd2+>Cr6+>Mn2+对于大量吸附剂(1000和500mg活性炭)，而对于少量吸附剂(100，50和25mg)，活性炭具有与酸处理颗粒活性炭和酸处理粉末活性炭相似的顺序，即Cr6+>Ni2+>Cd2+>Mn2+，如图2所示。

　　图3：金属离子在不同活性炭吸附剂(500mg)上的去除百分比。

　　颗粒活性炭的酸处理与未处理的活性炭相比，Cr6+去除效率提高了30%，而Ni2+、Mn2+和Cd2+分别降低了23%、36%和37%。这可以通过与其他离子相比更高的离子势和Cr6+的小尺寸来解释。这将导致Cr6+对酸性表面基团的吸引力更强，并更快地扩散到活性炭的孔隙中。高正电的Cr6+离子会吸附在孔隙边缘的酸性功能位点上，排斥其他较弱的重金属离子，降低它们对活性炭孔隙的可及性。

　　活性炭酸处理对金属离子的竞争吸附，发现活性炭可有效去除水溶液中的重金属离子。通过表面改性和氧化提高吸附能力。然而，大多数报道的研究都集中在从溶液中吸附单一或二元金属离子。因此，在理解氧化表面官能团对多离子溶液中重金属的相互作用和吸附机制的影响方面仍然存在差距。这项工作的目的是通过评估和模拟Ni2+、Cr6+、Mn2+和Cd2+在颗粒状活性炭、活性炭和酸处理活性炭上的竞争吸附来弥补这一差距。活性炭的氧化影响重金属离子Ni2+、Cr6+、Mn2+和Cd2+从水溶液中的竞争吸附。氧化活性炭对Cr6+的吸附能力增加，但对Ni2+、Mn2+和Cd2+离子的吸附能力降低。Cr6+相对于其他存在离子的高选择性是由于其较小的尺寸和较高的离子势，导致更快地扩散到孔隙和对表面酸性基团的更强吸引。Cr6+的吸附速度更快由于这些酸性基团分布在孔隙的边缘，因此酸性基团将阻碍其他离子向孔隙的扩散。Langmuir模型不适合重金属离子在氧化活性炭上的竞争吸附，因为它的两个假设：具有等效能量的均匀表面和吸附离子之间没有相互作用，对酸处理颗粒活性炭和酸处理粉末活性炭的异质表面无效。Freundlich等温线适合 Cr6+并且在较小程度上适合Ni2+，但不适合Mn2+或Cd2+。DKR模型表明Cr6+的物理吸附和Ni2+和Cd2+的离子交换吸附在空调上。在酸处理颗粒活性炭和酸处理粉末活性炭上改为离子交换Cr6+和Ni2+物理吸附。Mn2+对氧化活性炭的吸引力最小。这项工作的结果可用于根据离子与表面官能团的相互作用以及它们的大小和离子势的差异来定制和修改吸附过程，以从水溶液中选择性去除和分离重金属离子。